CN109148250B - 阻抗匹配装置和阻抗匹配方法 - Google Patents

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Abstract

公开了针对等离子产生的阻抗匹配装置和阻抗匹配方法。根据实施例，阻抗匹配装置可以耦接在等离子体产生设备中射频源以及与射频源连接的负载之间，用于匹配阻抗。阻抗匹配装置包括：匹配阻抗网络；电机，用于驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗；以及控制器，响应于接收到的射频源的工作模式信息，选择性地发出第一指令或第二指令，其中第一指令指示电机驱动阻抗匹配网络，第二指令指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。根据本公开的实施例，可以有效避免阻抗匹配过程中由于阻抗变化过快导致的匹配不稳定和不重复的现象，可以实现较大的工艺窗口和工艺稳定性。

Description

阻抗匹配装置和阻抗匹配方法
技术领域
本公开一般地涉及电子电路技术，更具体地，涉及针对等离子产生的阻抗匹配装置和阻抗匹配方法。
背景技术
在传统半导体制造工艺中已经使用各种类型的等离子体设备。现今采用比较广泛的用于等离子体刻蚀设备的激发等离子体方式为电感耦合等离子体(ICP)，这种方式可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，同时可以独立控制产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)和基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)。
传统的刻蚀机设备的射频源输出的是正弦连续波。随着集成电路的进一步发展，原有的技术方案已无法满足20nm及以下刻蚀工艺的要求，而脉冲等离子体新技术的应用则实现了微细化工艺上的突破。脉冲等离子体技术用于减小连续波射频能量带来的等离子体诱导损伤(Plasma induced damage，PID)，改善刻蚀工艺中的负载效应(Loading effect)，显著提高刻蚀选择比(Selectivity)，并且增大了工艺调节手段和窗口。
在射频能量传输的过程中，射频源的输出阻抗一般为50欧姆，而反应腔室的输入阻抗一般为一个具有实部阻抗和虚部阻抗的非50欧姆阻抗值。因而，如果直接将能量传输至反应腔室，则由于传输路径的阻抗不匹配，可能发生射频能量的反射，导致反应腔室中无法正常激发等离子体。因此，需要在射频源和反应腔室间接入一个匹配装置，使射频源后端的输入阻抗为50欧姆，便于能量的正常传输。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种针对等离子产生的阻抗匹配装置和阻抗匹配方法，以有效实施阻抗匹配。
根据本公开的一个方面，提供了一种阻抗匹配装置，用于匹配等离子体产生设备中射频源以及与射频源连接的负载之间的阻抗。该阻抗匹配装置包括：匹配阻抗网络；电机，用于驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗；以及控制器，响应于接收到的射频源的工作模式信息，选择性地发出第一指令或第二指令，其中第一指令指示电机驱动阻抗匹配网络，第二指令指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。
根据实施例，射频源可以工作于脉冲level-level模式，包括High level阶段和Low level阶段。工作模式信息可以指示High level阶段或Low level阶段。
根据实施例，当工作模式信息指示High level阶段时，控制器可以发出第一指令，且当模式信号指示Low level时，控制器可以发出第二指令。或者，当工作模式信息指示Lowlevel阶段时，控制器可以发出第一指令，且当模式信号指示High level时，控制器可以发出第二指令。
根据实施例，射频源的频率可以为2MHz、13.56MHz、60MHz中至少之一。射频源可以以10Hz-20kHz的调制频率、10％-90％的占空比被脉冲调制。
根据实施例，等离子体产生设备可以包括电感耦合等离子体产生设备、电容耦合等离子体产生设备、微波等离子体产生设备或电子回旋共振等离子体产生设备。
根据本公开实施例，等离子体产生设备可以用于等离子体刻蚀机。
根据本公开的另一方面，提供了一种对等离子体产生设备中射频源以及与射频源连接的负载之间的阻抗进行匹配的方法。该方法包括根据射频源的工作模式信息，选择性地进行以下操作之一：指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗；以及指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。
根据实施例，射频源可以工作于脉冲level-level模式，包括High level阶段和Low level阶段。工作模式信息可以指示High level阶段或Low level阶段。
根据实施例，当工作模式信息指示High level阶段时，可以指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗，且当模式信号指示Low level时，可以指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。或者，当工作模式信息指示Low level阶段时，可以指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗，且当模式信号指示High level时，可以指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。
根据本公开的实施例，采用电机驱动阻抗匹配与扫频阻抗匹配相结合的方式。具体地，在High level阶段和Low level阶段，分别采用电机驱动阻抗匹配与扫频阻抗匹配之一进行操作。于是，可以有效避免阻抗匹配过程中由于阻抗变化过快导致的匹配不稳定和不重复的现象，可以实现较大的工艺窗口和工艺稳定性。因此，根据本公开实施例的离子产生设备可以应用于高精度的等离子体刻蚀机中。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的等离子体产生设备的简化图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的等离子体产生设备的框图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的阻抗匹配装置的简化电路图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的工作时序图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的等离子体刻蚀机的简化截面图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相似的附图标记来表示。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非另外明确指出，否则本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等用词，以修饰相应的元件，其本身并不代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，或是其重要性。序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
图1示意性示出了根据本公开实施例的等离子体产生设备的简化图。
如图1所示，根据该实施例的等离子体产生设备包括射频(RF)源101和与RF源101连接的负载105。在等离子体产生设备中，负载105可以包括等离子体产生腔。RF源101用以提供一定的RF功率，以便在等离子体产生腔105中激发变电场。等离子体产生腔105中可以保持一定的真空度，引入其中的反应气体可以在变电场的作用下电离，从而产生等离子体。等离子体产生腔105可以基于多种机制进行工作，例如电感耦合等离子体(ICP)、电容耦合等离子体(CCP)、微波等离子体、电子回旋共振(ECR)等离子体等。
如背景技术部分所述，RF源101的输出阻抗一般为50欧姆，而作为其负载的等离子体产生腔105的输入阻抗一般为一个具有实部阻抗和虚部阻抗的非50欧姆阻抗值。为了避免源和负载之间阻抗不匹配导致的问题，在RF源101与作为负载的等离子体产生腔105之间耦接有阻抗匹配装置103，用以匹配RF源101与等离子体产生腔105的阻抗。将在以下进一步详细描述阻抗匹配装置103的配置。
图2示意性示出了根据本公开实施例的等离子体产生设备的框图。
与以上结合图1描述的等离子体产生设备相似，图2中示出的等离子体产生设备同样包括RF源101、负载(例如，等离子体产生腔)105以及连接在RF源和负载之间的阻抗匹配装置103。
RF源101可以工作于脉冲level-level模式。例如，RF源101可以产生一定频率(例如，2MHz、13.56MHz或60MHz，优选为13.56MHz)的RF信号。通过脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)，可以将RF信号调制为在一个周期内具有High level和Low level的脉冲信号(参见图4中的(a)部分)。这种脉冲信号有助于等离子体起辉。在High level阶段，脉冲信号可以具有较大功率例如1000W，而在Low level阶段，脉冲信号可以具有较小功率(不为零)例如600W。在一个示例中，该调制信号的调制频率可以为约10Hz-20kHz，占空比(例如，High Level阶段在一个周期中的比例)可以为约10％-90％。RF源101可以输出经PWM调制的RF信号。
在此，可以输出对RF源101的工作模式(例如，High level阶段或Low level阶段)加以指示的工作模式信息MODE。例如，当RF源101工作于High level阶段时，可以输出具有第一电平如高电平的工作模式信息MODE，而当RF源101工作于Low level阶段时，可以输出具有不同于第一电平的第二电平如低电平的工作模式信息MODE。这种工作模式信息例如可以由控制对RF信号进行PWM调制的控制单元来输出。
如图2所示，阻抗匹配装置103可以包括阻抗匹配度检测器1031、阻抗匹配网络1033、电机1035和控制器1037。
阻抗匹配度检测器1031可以检测RF源101与负载105之间的阻抗匹配度。理论上，当RF源101与负载105之间的阻抗相匹配时，来自RF源101的RF功率将全部传输至负载105，而不存在来自负载105的反射功率。因此，在一个示例中，可以通过检测来自RF源101的入射电压以及来自负载105的反射电压，并对二者进行比较(例如，通过计算驻波比(SWR))来进行阻抗匹配度检测。当然，本公开不限于此，而是可以通过其他各种合适的方式来检测阻抗匹配度。另外，阻抗匹配度检测器1031可以仅检测用于导出阻抗匹配度的相关参数，将这些参数发送至控制器1037以便由控制器1037确定阻抗匹配度，而并不由自身来确定。
阻抗匹配网络1033连接在RF源101与负载105之间，用以提供可变阻抗，并因此匹配RF源101与负载105之间的阻抗。阻抗匹配网络1033可以包括阻抗元件(例如，容性阻抗元件、抗性阻抗元件等)连接而成的网络。这些阻抗元件中的至少一部分可以具有可变阻抗配置，使得阻抗匹配网络1033整体上可以呈现不同的阻抗值。例如，阻抗匹配网络1033可以包括可变电容元件。可变电容元件可以包括可旋转部件(例如，其极板或者极板之间的电介质层)，通过对该可旋转部件进行旋转，从而改变其电容值。
电机1035可以驱动阻抗匹配网络1033(具体地，其中的可变阻抗元件如可变电容元件)，以提供一定的阻抗值。例如，电机1035可以驱动可变电容元件中的可旋转部件进行旋转，从而改变该可变电容元件的电容值。电机1035例如可以是步进电机。
控制器1037可以控制阻抗匹配装置103的总体操作。根据本公开的实施例，控制器1037可以响应于接收到的工作模式信息MODE，选择性地发出针对电机1035的第一指令CMD1以及针对RF源101的第二指令CMD2。
第一指令CMD1可以指示电机1035驱动阻抗匹配网络1035以实现一定的阻抗。在该第一指令CMD1中可以包括或者可以在该第一指令CMD1之外另外提供电机1035的驱动信息(例如，转动方向、转动角度等)。例如，控制器1037可以接收由阻抗匹配度检测器1031所检测的阻抗匹配度(例如，以SWR代表)或者根据阻抗匹配度检测器1031所检测到的参数来导出阻抗匹配度，并根据阻抗匹配度，得到电机1035的驱动信息。于是，电机1035可以根据接收到的驱动信息相应地转动(例如，前进或后退)一定的角度，以改变(例如，增大或减小)阻抗匹配网络1033提供的阻抗值。例如，控制器1037可以实施控制，使得SWR向着接近1的方向变化，直至SWR尽可能接近乃至等于1(意味着阻抗完全匹配)。
第二指令CMD2可以指示RF源101进行扫频操作。例如，RF源101中的RF信号发生器可以根据接收到的第二指令CMD2，在一定范围内(例如，从12.88MHz-14.32MHz)改变其所产生的RF信号的频率。由于RF信号的频率发生改变，阻抗匹配网络1033的阻抗也会发生一定的变化(例如，电容和电感的阻抗随信号频率改变)。例如，控制器1037可以实施控制，使得SWR向着接近1的方向变化，使SWR尽可能接近乃至等于1。
在不同的工作模式下，电机驱动阻抗匹配操作与扫频阻抗匹配操作可以择一进行。
根据本公开的实施例，当工作模式信息MODE指示High level阶段时，控制器1037可以发出第一指令CMD1，而当模式信号MODE指示Low level时，控制器1037可以发出第二指令CMD2。也即，在High level阶段，可以通过电机1035驱动阻抗匹配网络1033来提供阻抗匹配(此时，扫描操作可以停止)，而在Low level阶段，可以通过RF源101的扫频操作来提供阻抗匹配(此时，电机可以停止驱动，例如保留在上一次驱动结束时的位置)。
或者，根据本公开的实施例，当工作模式信息MODE指示Low level阶段时，控制器1037可以发出第一指令CMD1，而当模式信号MODE指示High level时，控制器1037可以发出第二指令CMD2。也即，在Low level阶段，可以通过电机1035驱动阻抗匹配网络1033来提供阻抗匹配(此时，扫描操作可以停止)，而在High level阶段，可以通过RF源101的扫频操作来提供阻抗匹配(此时，电机可以停止驱动，例如保留在上一次驱动结束时的位置)。
图3示意性示出了根据本公开实施例的阻抗匹配装置的简化电路图。
在图3的示例中，示出了由电感元件L以及可变电容元件C1和C2组成的阻抗匹配网络1033。可变电容元件C1和C2分别为串接电容和并接电容，以提供不同的阻抗分量。
在图3的示例中，阻抗匹配度检测器1031可以检测入射电压和反射电压，并将检测到的入射电压和反射电压发送至控制器1037。控制器1037可以根据接收到的入射电压和反射电压，来计算阻抗匹配度(例如，以SWR表示)。
电机1035可以包括电机驱动器1035D以及枢转轴1035S。在该示例中，与两个可变电容元件C1和C2相对应，可以设置两个枢转轴1035S，用以分别转动可变电容元件C1和C2中的可旋转部件。电机驱动器1035D可以根据从控制器1037接收到的驱动信息，驱动枢转轴1035S相应转动。
图4示意性示出了根据本公开实施例的工作时序图。
如图4中的(a)部分所示，RF源可以工作于脉冲level-level模式，并因此具有交替的High level阶段和Low level阶段。
根据一个实施例，如图4中的(b)部分所示，在High level阶段中，第一指令CMD1可以处于高电平，指示电机转动，以驱动阻抗匹配网络来调节阻抗，而第二指令CMD2可以处于低电平，指示RF源关闭扫频操作。在Low level阶段中，第一指令CMD1可以处于低电平，指示电机停止转动，且电机可以保持在上一High level阶段结束时的位置，而第二指令CMD可以处于高电平，指示RF源开启扫频操作。重复上述循环，直至RF源停止输出。
根据另一个实施例，如图4中的(c)部分所示，在High level阶段中，第一指令CMD1可以处于低电平，指示电机不动，而第二指令CMD可以处于高电平，指示RF源开启扫频操作。在Low level阶段中，第一指令CMD1可以处于高电平，指示电机转动，以驱动阻抗匹配网络来调节阻抗，而第二指令CMD2可以处于低电平，指示RF源关闭扫频操作。重复上述循环，直至RF源停止输出。
在常规技术中，在High level阶段和Low level阶段均采用电机驱动阻抗匹配网络进行阻抗匹配。在这种情况下，如果High level阶段和Low level阶段的阻抗相差较大，则难以实现满足工艺需求的阻抗匹配。因为需要不断地在High level阻抗匹配位置与Lowlevel阻抗匹配位置之间切换，由于电机响应速度远远跟不上High level和Low level的阻抗切换速度(PWM的调制频率)，从而无法找到一个平衡阻抗点进行匹配，因此有失配风险，最终表现为振荡或反射过大。
与上述常规技术不同，根据本公开的实施例，采用电机驱动阻抗匹配与扫频阻抗匹配相结合的方式。具体地，在High level阶段和Low level阶段，分别采用电机驱动阻抗匹配与扫频阻抗匹配之一进行操作。于是，可以有效避免阻抗匹配过程中由于阻抗变化过快导致的匹配不稳定和不重复的现象，可以实现较大的工艺窗口和工艺稳定性。因此，根据本公开实施例的离子产生设备可以应用于高精度的等离子体刻蚀机中。
图5示意性示出了根据本公开实施例的等离子体刻蚀机的简化截面图。
如图5所示，根据该实施例的等离子体刻蚀机可以包括密闭腔体505。通过真空系统对腔体505进行抽真空操作，可以在腔体505中保持一定的真空度。在腔体505下方设有基片台505W，基片可以设置于基片台505W上以进行刻蚀。基片台505W可以(经由例如上述的阻抗匹配装置)连接至RF源。
绕腔体505的上部，可以缠绕线圈505L。线圈505L可以经由例如上述的阻抗匹配装置而耦接到RF源(可以与基片台505W的RF源相分离)，以便接收RF功率。于是，线圈505L可以在腔体505中感应出变电场。通过气体系统引入的反应气体被变电场激发，产生电离并形成等离子体，包括带电的电子和离子。腔体505中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子之外，还能吸收能量，并形成大量的活性基团。活性基团可以与置于基片台505W上的基片上的被刻蚀物质(例如，基片上形成的材料层)表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物。反应生成物可以脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出。另外，可以向基片台505W施加直流偏移，使带正电的反应气体离子加速撞击被刻蚀物质表面。这种离子轰击可以大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而使刻蚀速率增加。
尽管在此描述了ICP刻蚀机，但是本公开不限于此。例如，本公开的技术也可以应用于其他等离子体刻蚀机如CCP刻蚀机、微波等离子体刻蚀机、ECR等离子体刻蚀机等等。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种阻抗匹配装置，用于匹配等离子体产生设备中射频源以及与射频源连接的负载之间的阻抗，所述阻抗匹配装置包括：
匹配阻抗网络；
电机，用于驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗；以及
控制器，响应于接收到的射频源的工作模式信息，选择性地发出第一指令或第二指令，其中第一指令指示电机驱动阻抗匹配网络，第二指令指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作，
其中，射频源工作于脉冲level-level模式，level-level模式包括High level阶段和Low level阶段，工作模式信息指示High level阶段或Low level阶段，并且响应于接收到射频源交替地工作于High level阶段或Low level阶段，控制器选择性地发出分别对应的第一指令或第二指令。
2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，
当工作模式信息指示High level阶段时，控制器发出第一指令，且当模式信号指示Lowlevel时，控制器发出第二指令；或者
当工作模式信息指示Low level阶段时，控制器发出第一指令，且当模式信号指示Highlevel时，控制器发出第二指令。
3.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，射频源的频率为2MHz、13.56MHz、60MHz中至少之一。
4.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，射频源以10Hz-20kHz的调制频率、10％-90％的占空比被脉冲调制。
5.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，等离子体产生设备包括电感耦合等离子体产生设备、电容耦合等离子体产生设备、微波等离子体产生设备或电子回旋共振等离子体产生设备。
6.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，等离子体产生设备用于等离子体刻蚀机。
7.一种对等离子体产生设备中射频源以及与射频源连接的负载之间的阻抗进行匹配的方法，包括：
根据射频源的工作模式信息，选择性地进行以下操作之一：
-指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗；以及
-指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作，
其中，射频源工作于脉冲level-level模式，level-level模式包括High level阶段和Low level阶段，工作模式信息指示High level阶段或Low level阶段，并且响应于接收到射频源交替地工作于High level阶段或Low level阶段，选择性地进行分别对应的上述操作之一。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
当工作模式信息指示High level阶段时，指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗，且当模式信号指示Low level时，指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作；或者
当工作模式信息指示Low level阶段时，指示电机驱动匹配阻抗网络以提供一定的阻抗，且当模式信号指示High level时，指示电机停止驱动以及射频源进行扫频操作。
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